(57)【要約】【課題】固体状メタノールからメタノールを安全に効率良く取り出すことのできる直接メタノール形燃料電池システムを提供する。【解決手段】直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ１０は、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容したケーシング１０Ａと、前記固体状メタノールからメタノールを溶出させるための水の導入口と当該溶出したメタノールを含むメタノール水溶液を外部に取り出す排出口とのそれぞれが内管１１Ｂ又は外管１１Ａを構成している二重構造の接続部１２とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノールを固体化した固体状メタノールを収容した容器本体と、
前記固体状メタノールからメタノールを溶出させるための水の導入口と当該溶出したメタノールを含むメタノール水溶液を外部に取り出す排出口とがそれぞれ内管又は外管を構成している二重構造の接続部材と
を備えることを特徴とする直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項２】
前記燃料カートリッジ収容部は、
固体状メタノール燃料カートリッジと、直接メタノール形燃料電池装置とからなり、
前記固体状メタノール燃料カートリッジは、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容した容器本体と、前記固体状メタノールからメタノールを溶出させるための水の導入口と当該溶出したメタノールを含むメタノール水溶液を外部に取り出す排出口とがそれぞれ内管又は外管を構成している二重構造の接続部材とを備え、
前記直接メタノール形燃料電池装置は、燃料電池セルと、燃料カートリッジ収容部と、水供給機構とを備え、
前記燃料カートリッジ収容部は、前記固体状メタノール燃料カートリッジの接続部材の内管及び外管とそれぞれ接続可能な内管及び外管からなる二重構造の接続受部を有しており、当該二重管構造の接続受部の導入口との接続側は前記水供給機構に連通しているとともに、排出口との接続側は前記燃料電池セルの燃料極に連通していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記固体状メタノール燃料カートリッジの接続部材の外管が導入口であり、内管が排出口であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記固体状メタノール燃料カートリッジの接続部材の内管及び外管に、前記接続受部の内管及び外管との接続箇所をシールするシール材を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体状メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池システムに関し、特に直接メタノール形燃料電池を効率的に使用でき、かつ安全性が向上した直接メタノール形燃料電池システムに関する。また、本発明は、上記直接メタノール形燃料電池システムに適用可能な直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、パーフルオロスルホン酸膜等の固体電解質膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合して構成され、アノードに水素やメタノール、カソードに酸素を供給して電気化学反応により発電する装置である。このうち、メタノールを燃料とする固体高分子電解質型燃料電池は、「直接（ダイレクト）メタノール形燃料電池」と呼ばれ、下記の反応式により発電が行われる。
【０００３】
アノード：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋ＣＯ２＋６ｅ−  …［１］
カソード：３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ  …［２］
この反応を起こすために、両電極は、触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体より構成されている。
【０００４】
このような直接メタノール形燃料電池において、アノードに供給されたメタノールは、電極中の細孔を通過して触媒に達し、この触媒によりメタノールが分解されて、上記反応式［１］の反応で電子と水素イオンとを生成する。水素イオンは、アノード中の電解質及び両電極間の固体電解質膜を通ってカソードに達し、カソードに供給された酸素及び外部回路より流れ込む電子と反応して、上記反応式［２］のように水を生じる。一方、メタノールより放出された電子は、アノード中の触媒担体を通って外部回路へ導き出され、外部回路よりカソードに流れ込む。この結果、外部回路では、アノードからカソードへ向かって電子が流れ電力が取り出される。
【０００５】
このメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池は、作動温度が低く、大掛りな補器が必要ないこと等から携帯機器用小型燃料電池として有用であり、近年、携帯用コンピューターや携帯電話等の次世代電池として開発が活発化してきている。一方、燃料に使用するメタノールは、液体であるが故に漏れやすく、またメタノール自体の可燃性及び毒性が懸念されており、安全に使用するための対策が課題となっている。
【０００６】
このようなメタノールの安全性の課題に対し、分子状化合物を形成することによりメタノールを固形化し、漏れにくくするとともに可燃性を大きく低減した「固体状メタノール燃料」について本出願人は種々提案した（特許文献１〜３参照）。この固体状メタノールは、水と接触することで固体中のメタノールを水側に放出することができ、このようにして生成したメタノール水溶液を、直接メタノール形燃料電池の燃料として使用することができる。
【特許文献１】特開２００６−０４０６２９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５２５４号公報
【特許文献３】国際公開第２００５／０６２４１０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような固体状メタノールから燃料となるメタノールを取り出すには、固体状メタノールに水を供給する必要がある。水を供給する方法としては、ポンプを使用して水をカートリッジに供給するアクティブ方式と、水の自然な拡散現象を利用するパッシブタイプとがあるが、能動的に液体の供給を行えるアクティブ方式の方が高出力を発生させるためには適している。
【０００８】
このようなアクティブ方式の燃料電池システムにおいては、固体状メタノールにポンプを使用して水を供給するための導入口とメタノール水溶液を排出するための排出口とを有する固体状メタノール燃料カートリッジが必要であるが、このカートリッジから排出されるメタノール水溶液に対しては、通常の液体のメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池と同様の安全対策が必要である。
【０００９】
しかしながら、固体状メタノールからメタノール水溶液を安全に効率良く取り出すことのできる固体状メタノール燃料カートリッジおよびそれを用いた直接メタノール形燃料電池システムの具体的な構造については、いまだ提案されていない。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、固体状メタノールからメタノールを安全に効率良く取り出すことのできる直接メタノール形燃料電池システムを提供することを目的とする。また、本発明は、固体状メタノールからメタノールを安全に効率良く取り出すことのできる直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１に本発明は、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容した容器本体と、前記固体状メタノールからメタノールを溶出させるための水の導入口と当該溶出したメタノールを含むメタノール水溶液を外部に取り出す排出口とがそれぞれ内管又は外管を構成している二重構造の接続部材とを備えることを特徴とする直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジを提供する（請求項１）。
【００１２】
上記発明（請求項１）によれば、導入口となる接続部材の内管又は外管から容器本体内に水を供給することで、該容器本体内に収容された固体状メタノールと水とが接触し、メタノールが溶出してメタノール水溶液が生成され、このメタノール水溶液を排出口となる外管又は内管から取り出して、燃料電池セルの燃料極に供給することで発電をすることができる。
【００１３】
また、第２に本発明は、固体状メタノール燃料カートリッジと、直接メタノール形燃料電池装置とからなり、前記固体状メタノール燃料カートリッジは、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容した容器本体と、前記固体状メタノールからメタノールを溶出させるための水の導入口と当該溶出したメタノールを含むメタノール水溶液を外部に取り出す排出口とがそれぞれ内管又は外管を構成している二重構造の接続部材とを備え、前記直接メタノール形燃料電池装置は、燃料電池セルと、燃料カートリッジ収容部と、水供給機構とを備え、前記燃料カートリッジ収容部は、前記固体状メタノール燃料カートリッジの接続部材の内管及び外管とそれぞれ接続可能な内管及び外管からなる二重構造の接続受部を有しており、当該二重管構造の接続受部の導入口との接続側は前記水供給機構に連通しているとともに、排出口との接続側は前記燃料電池セルの燃料極に連通していることを特徴とする燃料電池システムを提供する（請求項２）。
【００１４】
上記発明（請求項２）によれば、直接メタノール形燃料電池装置の水供給機構から導入口となる接続部材の内管又は外管を経由して容器本体内に水を供給することで、当該容器本体内に収容された固体状メタノールと水とが接触し、メタノールが溶出してメタノール水溶液が生成され、このメタノール水溶液を排出口となる外管又は内管から取り出して、燃料電池セルの燃料極に供給することで、発電をすることができる。
【００１５】
上記発明（請求項２）においては、前記固体状メタノール燃料カートリッジの接続部材の外管が導入口であり、内管が排出口であることが好ましい（請求項３）。
【００１６】
燃料カートリッジの接続部材と直接メタノール形燃料電池装置の接続受部とは、いずれも二重管構造になっており、それぞれの内管及び外管が接続される。そして、内管の中には、燃料電池セルに供給される比較的高濃度のメタノール水溶液が流れ、外管と内管との空間には燃料電池装置の水供給機構から供給される水又は比較的低濃度のメタノール水溶液が流れる。したがって、上記発明（請求項３）によれば、比較的高濃度のメタノール水溶液が接続箇所である内管における接続部材と接続受部で漏れたとしても、その外側は外管で囲われているので、外部に高濃度メタノール水溶液が漏れる危険を大きく低減できる。そして、この内管と外管との間に漏れ出た高濃度メタノール水溶液は、再び燃料カートリッジ側へ供給されるため、燃料であるメタノールが無駄に消費されることもない。
【００１７】
さらに、上記発明（請求項３）においては、前記固体状メタノール燃料カートリッジの接続部材の内管及び外管に、前記接続受部の内管及び外管との接続箇所をシールするシール材を有することが好ましい（請求項４）。
【００１８】
燃料カートリッジの接続部材と直接メタノール形燃料電池装置の接続受部とは、内管同士及び外管同士がシール材によりシールした状態で接続されることが望ましいが、この場合、シール材がメタノールに晒されるとシール材の劣化等が生じやすい。したがって、上記発明（請求項４）によれば、取替え頻度が高く、使用時間の短い燃料カートリッジ側にシール材を取り付けることで、シール材の劣化等による不具合を最小限に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、直接メタノール形燃料電池装置の水供給機構から水を供給するだけで、燃料である比較的高濃度のメタノール水溶液を効率良く取り出すことができる。しかも、燃料である比較的高濃度のメタノール水溶液の漏洩のおそれも少なく、安全性が向上しており、さらに固体状メタノールの利用率の向上も期待できる、という効果も奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の直接メタノール形燃料電池システムについて添付図面を参照して詳細に説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアクティブ方式による直接メタノール形燃料電池システムを示す概略図であり、図２は、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムに適用可能な燃料カートリッジを示す斜視図である。
【００２１】
図１において、１は燃料電池セルであり、この燃料電池セル１は、燃料極２と、電解質膜（ＭＥＡ）３と、空気極４とを有している。５は燃料カートリッジ収容部であり、この収容部５には、水供給口となる外管６Ａと、燃料取出口となる内管６Ｂの二重円筒管構造からなる接続受部７が設けられている。
【００２２】
また、８は水Ｗのリザーバタンクであり、このリザーバタンク８は、ポンプ９を介して、外管６Ａに連通している。これらリザーバタンク８及びポンプ９により水供給機構が構成される。
【００２３】
一方、内管６Ｂは、燃料極２に連通している。このような構成の直接メタノール形燃料電池装置において、燃料カートリッジ収容部５に、燃料カートリッジ１０が装着される。
【００２４】
図２に示すように、燃料カートリッジ１０は、容器本体たる円筒型のケーシング１０Ａ内にメタノール包接化合物等の固体状メタノールＳを収納してなり、ケーシング１０Ａの一方の側に水Ｗの導入口としての外管１１Ａ及び燃料Ｆの排出口としての内管１１Ｂの二重円筒管構造からなる接続部１２が形成されている。
【００２５】
接続部１２の外管１１Ａ及び内管１１Ｂは、接続受部７の外管６Ａ及び内管６Ｂよりそれぞれ僅かに細径となっていて、接続部１２の外管１１Ａと接続受部７の外管６Ａとが、接続部１２の内管１１Ｂと接続受部７の内管６Ｂとが、それぞれぴったりと嵌合するようになっている。また、内管１１Ｂは、ケーシング１０Ａの図示左右方向に大きく延在しており、この内管１１Ｂにより後述する水Ｗの流路Ｒが形成される。
【００２６】
なお、図１中、１３は水供給路であり、１４は燃料供給路であり、１５は燃料環流路であり、１３Ａ，１４Ａのそれぞれは、水供給路１３及び燃料供給路１４の開閉弁である。
【００２７】
このような構成の燃料カートリッジ１０を備える直接メタノール形燃料電池システムの作用について説明する。初期状態においては、燃料カートリッジ１０は装着されておらず、リザーバタンク８の水等の液漏れ防止のため開閉弁１３Ａ，１４Ａは閉鎖した状態にある。
【００２８】
そして、図３に示すように、燃料カートリッジ収容部５に燃料カートリッジ１０を装着し、燃料カートリッジ収容部５の接続受部７と燃料カートリッジ１０の接続部１２とを接続する。すなわち、接続部１２の外管１１Ａ及び内管１１Ｂは接続受部７の外管６Ａ及び内管６Ｂよりそれぞれ僅かに細径となっているので、外管１１Ａは外管６Ａの内側に、内管１１Ｂは内管６Ｂの内側にそれぞれ嵌合することにより、漏水することなく接続される。
【００２９】
そうしたら、開閉弁１３Ａ，１４Ａを開成し、続いて、ポンプ９を起動して、リザーバタンク８の水Ｗを、接続受部７の外管６Ａ及び接続部１２の外管１１Ａから燃料カートリッジ１０のケーシング１０Ａ内に供給する。
【００３０】
この水Ｗは、内管１１Ｂの外側に沿ってケーシング１０Ａ内を図示左方向に流通した後、水Ｗの給水圧により内管１１Ｂの内側に流入して、図示右側に向かって流れる。この間に固体状メタノールＳと水Ｗとが接触して、燃料Ｆとして比較的高濃度のメタノール水溶液が生成する。
【００３１】
このように、ケーシング１０Ａ内に内管１１Ｂを延在させて流路Ｒを形成することにより、ケーシング１０Ａに供給された水Ｗが導入口としての外管１１Ａから排出口としての内管１１Ｂに向けて短絡的な経路をとることがなく、ケーシング１０Ａ内に収容された固体状メタノールＳと水Ｗとの接触効率を高めることができ、これにより固体状メタノールＳに含有されたメタノールの利用率を高めることができる。
【００３２】
この比較的高濃度のメタノール水溶液（燃料Ｆ）を内管１１Ｂ（内管６Ｂ）の内側から排出し、燃料供給路１４を経由して燃料電池セル１の燃料極２に供給することで、燃料電池セル１で発電が開始される。そして、燃料極２における余剰のメタノール水溶液燃料は、燃料環流路１５からリザーバタンク８に環流される。
【００３３】
このような燃料電池システムにおいては、燃料電池セル１での発電に伴い、固体状メタノールＳが消費されるので、電圧の低下又は所定時間の発電等を目安として、開閉弁１３Ａ，１４Ａを閉鎖して燃料カートリッジ１０を取り替えることにより、燃料電池システムを繰り返し使用することが可能となっている。
【００３４】
特に、外管１１Ａの内側と内管１１Ｂの外側の空間には、水Ｗ（又は低濃度メタノール水溶液）が流れる一方、内管１１Ｂの中には燃料電池セル１に供給される燃料Ｆとしての比較的高濃度のメタノール水溶液が流れる構造となっている。これにより危険性が高い比較的高濃度のメタノール水溶液が、燃料カートリッジ収容部５と燃料カートリッジ１０との接続箇所である接続受部７と接続部１２とから漏れたとしても、その外側は外管１１Ａで囲われているので、比較的高濃度のメタノール水溶液が内管１１Ｂと外管１１Ａの間に混入し、外部に漏れる危険性が大きく低減されている。しかも、この内管１１Ｂと外管１１Ａの間に漏れた比較的高濃度のメタノールは、再び燃料カートリッジのケーシング１０Ａ側へ供給されるため、燃料であるメタノールが無駄に消費されることもない。
【００３５】
さらにまた、特に本実施態様においては、円筒型の燃料カートリッジ１０のケーシング１０Ａの一方の側に水Ｗの導入口及び燃料Ｆの排出口として機能する接続部１２を形成しているので、簡単な構造で水Ｗの供給及び燃料Ｆの排出が可能となっている。
【００３６】
〔第２の実施形態〕
図４は、本発明の第２の実施形態に係るアクティブ方式による直接メタノール形燃料電池システムに適用可能な固体状メタノール燃料カートリッジを示す概略図であり、図５は、本実施形態において燃料カートリッジを装着した状態を示す概略図である。
【００３７】
本実施形態における燃料カートリッジ１０は、燃料カートリッジ１０の接続部１２の外管１１Ａの外側と、内管１１Ｂの外側にシール材としての環状パッキン１６Ａ，１６Ｂが設けられている以外は、前述した第１の実施形態と同じ構成を有する。この環状パッキン１６Ａ，１６Ｂとしては、いわゆる合成ゴム、エラストマー等の弾性材料を用いることができ、特にある程度メタノールに対する耐性を有するものが好ましい。
【００３８】
このような構成を採用することにより、燃料カートリッジ収容部５に燃料カートリッジ１０を装着し、燃料カートリッジ収容部５の接続受部７と燃料カートリッジ１０の接続部１２とを接続すると、図５に示すように接続部１２の外管１１Ａ及び内管１１Ｂは、接続受部７の外管６Ａ及び内管６Ｂのそれぞれより僅かに細径となっており、環状パッキン１６Ａ，１６Ｂが弾性変形することで、外管１１Ａは外管６Ａの内側に、内管１１Ｂは内管６Ｂの内側にそれぞれ嵌合する。そして、環状パッキン１６Ａ，１６Ｂの復元力によりそれぞれの管の間を水密状態で接続することができる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、接続部１２の外管１１Ａ及び内管１１Ｂを接続受部７の外管６Ａ及び内管６Ｂよりそれぞれ僅かに細径として、接続受部７の内側に挿入する構成としているが、これとは逆に接続部１２の外管１１Ａ及び内管１１Ｂを接続受部７の外管６Ａ及び内管６Ｂよりそれぞれ僅かに太径とし、接続受部７の外管６Ａ及び内管６Ｂが接続部１２の内側に挿入される構成として環状パッキン１６Ａ，１６Ｂを設けてもよい。
【００４０】
ただし、接続受部７は直接メタノール形燃料電池装置側であり、消耗品である燃料カートリッジ１０に比べて長期間使用されるため、環状パッキン１６Ａ，１６Ｂに非常に長い耐久性が要求されることになる。したがって、本実施形態のように燃料カートリッジ１０の接続部１２に環状パッキン１６Ａ，１６Ｂを取りつけることで、パッキン材料の劣化等の不具合のリスクを低減させることができる。
【００４１】
上述したような第１及び第２の実施形態において、固体状メタノールＳとしては、メタノールの分子化合物やメタノールをポリマーとともに固体化又はゲル化されたもの、無機材に吸着等により保持することで固体状としたもの等を使用することができる。
【００４２】
前記分子化合物とは、単独で安定に存在することのできる化合物の２種類以上の化合物が水素結合やファンデルワールス力等に代表される、共有結合以外の比較的弱い相互作用によって結合した化合物であり、水化物、溶媒化物、付加化合物、包接化合物等が含まれる。このような分子化合物は、分子化合物を形成する化合物と燃料電池用燃料との接触反応により形成することができ、燃料電池用燃料を固体状の化合物に変化させることができ、比較的軽量で安定に燃料電池用燃料を貯蔵することができる。
【００４３】
分子化合物としては、ホスト化合物と燃料電池用燃料との接触反応により燃料電池用燃料を包接した包接化合物が挙げられる。また、ポリマーとして固体化又はジベンジリデン−Ｄ−ソルビトール等によりゲル化したもの、あるいはその表面にコーティングを施したものも使用することができる。
【００４４】
このような固体状メタノールＳは、種々の形態で使用することができ、好ましい形態としては微粉状、粒子状、シート状等の形態を挙げることができる。
【００４５】
以上、本発明について上記第１及び第２の実施形態に基づき説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形実施が可能である。例えば、上記第１及び第２の実施形態においては、接続部１２及び接続受部７を二重円筒管構造とすることにより、燃料カートリッジ１０の挿入方向性に依存せずに装着し得るようにしているが、楕円形や四角形等の二重管構造としてもよい。
【００４６】
また、接続部１２の外管１１Ａ及び内管１１Ｂと、接続受部７の外管６Ａ及び内管６Ｂとのそれぞれに螺子状の雄ネジ部及び雌ネジ部を形成し、燃料カートリッジ１０を螺合して、燃料カートリッジ１０の脱落を防止するようにしてもよい。
【００４７】
さらに、燃料カートリッジ収容部５に開閉蓋を設けて、燃料カートリッジ１０を装着した後に当該開閉蓋を閉めて、燃料カートリッジ１０の脱落を防止するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムを示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムに適用可能な燃料カートリッジを示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態において燃料カートリッジを装着した状態を示す概略図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムに適用可能な燃料カートリッジを示す斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態において燃料カートリッジを装着した状態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…燃料電池セル
２…燃料極
５…燃料カートリッジ収容部
６Ａ…外管（水供給口）
６Ｂ…内管（燃料取出口）
７…接続受部
８…リザーバタンク（水供給機構）
９…ポンプ（水供給機構）
１０…燃料カートリッジ
１０Ａ…ケーシング（容器本体）
１１Ａ…外管（導入口）
１１Ｂ…内管（排出口）
１２…接続部
１６Ａ，１６Ｂ…環状パッキン（シール材）
Ｗ…水
Ｓ…固体状メタノール
Ｆ…燃料（高濃度メタノール水溶液）
Ｒ…流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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